Team ontwikkelt op grafeen gebaseerd nano-elektronicaplatform

Een dringende zoektocht op het gebied van nano-elektronica is de zoektocht naar een materiaal dat silicium zou kunnen vervangen. Grafeen lijkt al decennia veelbelovend. Maar het potentieel ervan is gaandeweg geslonken als gevolg van schadelijke verwerkingsmethoden en het ontbreken van een nieuw elektronicaparadigma om het te omarmen. Nu silicium bijna maximaal is in zijn vermogen om sneller computergebruik mogelijk te maken, is het volgende grote nano-elektronicaplatform nu meer dan ooit nodig.

Walter de Heer, Regents’ Professor aan de School of Physics aan het Georgia Institute of Technology, heeft een cruciale stap voorwaarts gezet in het pleiten voor een opvolger van silicium. De Heer en zijn medewerkers hebben een nieuw nano-elektronicaplatform ontwikkeld op basis van grafeen, een enkel vel koolstofatomen. De technologie is compatibel met conventionele fabricage van micro-elektronica, een noodzaak voor elk levensvatbaar alternatief voor silicium.

In de loop van hun onderzoek, gepubliceerd in Natuurcommunicatie, heeft het team mogelijk ook een nieuw quasideeltje ontdekt. Hun ontdekking zou kunnen leiden tot de productie van kleinere, snellere, efficiëntere en duurzamere computerchips, en heeft potentiële implicaties voor quantum- en high-performance computing.

“De kracht van grafeen ligt in zijn platte, tweedimensionale structuur die bij elkaar wordt gehouden door de sterkste chemische bindingen die we kennen,” zei de Heer. “Het was vanaf het begin duidelijk dat grafeen in veel grotere mate kan worden geminiaturiseerd dan silicium, waardoor veel kleinere apparaten mogelijk zijn, terwijl ze op hogere snelheden werken en veel minder warmte produceren. Dit betekent dat er in principe meer apparaten op één apparaat kunnen worden verpakt.” chip van grafeen dan van silicium.”

In 2001 stelde De Heer een alternatieve vorm van elektronica voor op basis van epitaxiaal grafeen of epigrafeen – een laag grafeen die zich spontaan bleek te vormen bovenop siliciumcarbidekristal, een halfgeleider die wordt gebruikt in hoogvermogenelektronica. Destijds ontdekten onderzoekers dat elektrische stromen zonder weerstand langs de randen van epigrafeen stromen en dat grafeenapparaten naadloos met elkaar verbonden konden worden zonder metalen draden. Deze combinatie zorgt voor een vorm van elektronica die vertrouwt op de unieke lichtachtige eigenschappen van grafeenelektronen.

“Kwantuminterferentie is waargenomen in koolstofnanobuisjes bij lage temperaturen, en we verwachten vergelijkbare effecten te zien in epigrafeenlinten en -netwerken, ” zei de Heer. “Dit belangrijke kenmerk van grafeen is niet mogelijk met silicium.”

Het bouwen van het platform

Om het nieuwe nano-elektronicaplatform te creëren, creëerden de onderzoekers een gemodificeerde vorm van epigrafeen op een kristalsubstraat van siliciumcarbide. In samenwerking met onderzoekers van het Tianjin International Center for Nanoparticles and Nanosystems aan de Universiteit van Tianjin, China, produceerden ze unieke siliciumcarbidechips van siliciumcarbidekristallen van elektronische kwaliteit. Het grafeen zelf werd gekweekt in het laboratorium van de Heer op Georgia Tech met behulp van gepatenteerde ovens.

De onderzoekers gebruikten elektronenbundellithografie, een methode die veel wordt gebruikt in de micro-elektronica, om de grafeen-nanostructuren te snijden en hun randen aan de siliciumcarbide-chips te lassen. Dit proces stabiliseert en verzegelt mechanisch de randen van het grafeen, die anders zouden reageren met zuurstof en andere gassen die de beweging van de ladingen langs de rand zouden kunnen verstoren.

Tot slot, om de elektronische eigenschappen van hun grafeenplatform te meten, gebruikte het team een ​​cryogeen apparaat waarmee ze de eigenschappen van een temperatuur van bijna nul tot kamertemperatuur kunnen vastleggen.

Observeren van de randtoestand

De elektrische ladingen die het team waarnam in de toestand van de grafeenrand waren vergelijkbaar met fotonen in een optische vezel die zich over grote afstanden kan verplaatsen zonder verstrooiing. Ze ontdekten dat de ladingen tienduizenden nanometers langs de rand reisden voordat ze werden verspreid. Grafeenelektronen in eerdere technologieën konden slechts ongeveer 10 nanometer reizen voordat ze tegen kleine onvolkomenheden botsten en in verschillende richtingen verspreidden.

“Het bijzondere aan de elektrische ladingen in de randen is dat ze op de rand blijven en met dezelfde snelheid blijven doorgaan, zelfs als de randen niet perfect recht zijn”, zegt Claire Berger, natuurkundeprofessor bij Georgia Tech en onderzoeksdirecteur bij het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek in Grenoble, Frankrijk.

In metalen worden elektrische stromen gedragen door negatief geladen elektronen. Maar in tegenstelling tot de verwachtingen van de onderzoekers suggereerden hun metingen dat de randstromen niet werden gedragen door elektronen of door gaten (een term voor positieve quasideeltjes die de afwezigheid van een elektron aangeven). Integendeel, de stromingen werden gedragen door een hoogst ongebruikelijk quasi-deeltje dat geen lading en geen energie heeft en toch zonder weerstand beweegt. Er werd waargenomen dat de componenten van het hybride quasi-deeltje aan weerszijden van de randen van het grafeen bewegen, ondanks dat het een enkel object is.

De unieke eigenschappen geven aan dat het quasi-deeltje er misschien een is dat natuurkundigen al tientallen jaren hopen te exploiteren – het ongrijpbare Majorana-fermion dat in 1937 werd voorspeld door de Italiaanse theoretisch natuurkundige Ettore Majorana.

“Het ontwikkelen van elektronica met behulp van dit nieuwe quasi-deeltje in naadloos onderling verbonden grafeennetwerken is baanbrekend”, zei de Heer.

Het zal volgens de Heer waarschijnlijk nog vijf tot tien jaar duren voordat we de eerste op grafeen gebaseerde elektronica hebben. Maar dankzij het nieuwe epitaxiale grafeenplatform van het team is de technologie dichter dan ooit bij de bekroning van grafeen als opvolger van silicium.